煤炭科学技术

作者：贾毅超, 杨栋, 黄旭东, 孙丁伟, 何立国,

关键词：超临界CO₂, 无烟煤, 力学特性, 劣化机制, 微观结构,

为揭示深部煤层注入CO2过程中，超临界CO2对无烟煤力学强度与微观结构的影响规律，以无烟煤为研究对象，对2种恒定温度（40、60 ℃）条件下超临界CO2对煤体劣化特性进行探究，利用自主研制的超临界CO2浸泡设备搭配煤体单轴加载装置对其力学强度进行初步测定，借助CT扫描系统表征孔裂隙等结构，通过分析不同浸泡时间（0、1、3、5、7 d）对孔裂隙的物化效应，揭示超临界CO2浸泡后无烟煤宏观强度损失与微观结构演变的内在联系。结果表明：超临界CO2对无烟煤宏观强度的劣化具有一定的时间效应，伴随着浸泡时间的增加，劣化效应逐渐减弱，逐渐趋于某一定值，其劣化主要时期为浸泡0～5 d，同时破坏模式改变，破坏颗粒的平均尺寸逐渐增大。同比恒温60 ℃，恒温40 ℃状态下的超临界CO2对煤体劣化作用较为明显；借助CT 扫描系统发现，经超临界CO2浸泡后白色矿物质消失，“溶蚀孔洞”逐渐扩大，新生孔裂纹不断发育，裂隙开度增加。煤样内部孔裂隙在0～5 d迅速发育成较为连续的孔隙团，此后内部孔裂隙缓慢发育，逐渐趋于稳定；超临界CO2侵入煤体内部，其通过萃取煤基质中的有机物与溶蚀碳酸盐矿物组分，形成“溶蚀孔洞”，破坏晶体结构，导致内部孔隙团逐渐发育。伴随着比表面积的增大，煤体吸附能力增加，其“溶胀效应”进一步增加孔裂隙发育，最终导致宏观力学强度的改变；由宏观强度损失数学模型分析得到，煤体经过超临界CO2浸泡后，强度包络线向右偏移，摩尔应力圆向左偏移，内摩擦角与黏聚力均变小，最终导致煤体宏观强度的损失。

来源：2024年第11期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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